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[教育] 中学开量子课，学生能懂吗

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粮斗斗 发表于 2024-7-17 07:30:00 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
*本文为《半月谈内部版》2024年第7期内容
双缝干涉实验、拉比振荡实验、回波实验……这些物理专业名词出现在高中课程里，令人不禁好奇：学生们能听懂吗？
在无锡市政府的大力支持下，江苏省锡山高级中学（以下简称“省锡中”）持续探索学校教育、社会企业、高等院校和科研院所有机结合的合作育人机制，无锡量子感知研究所和国仪量子公司组织研发攻关，启动了基于金刚石量子计算教学机的中小学量子计算实验课程研发项目，基于“产学研育”一体化与省锡中开展合作。2020年底，三方共同开发“量子计算原理与实验”课程，并配置了整套的课程资源，为学生体悟量子世界的神奇开启一扇大门。
“烧脑”的量子计算课

为了将量子计算这项前沿科技与高中课程相融合，在课程开设之前，省锡中物理学科中心主任徐地虎博士与国仪量子专家就课程内容、课时量等做了精心打磨，形成了高中量子教学课程的基本框架。
“上好量子计算课程关键要找准切入点，要和高中课程衔接好，让学生有一定的认知基础，否则高中生没法学。”徐地虎对半月谈记者表示，开设这门课程的目的是开阔学生视野，激发学生的好奇心，培养学生今后的学科科研兴趣。
徐地虎介绍，第一批选量子计算课的学生有10人，现在开放的名额是30人，人数主要受实验室的限制。“有竞赛方向的学生，也有纯粹因为兴趣被课程吸引的学生。这门课要抢着选，有点像大学的选课机制，30个课时，开始几节课试上，学生可以再调整。”徐地虎说。
量子计算课程内容包括：其一，学习什么是量子力学，了解量子力学的发展历史和杰出人物，以及量子力学在哪些领域有重大应用。其二，学习并简单掌握一些基础的线性代数知识和计算机原理，了解量子科学的前沿问题比如量子纠缠、量子加密，当然也要学习并掌握量子力学原理，但不要求太深。其三，进行一些量子力学方面的相关实验，比如双缝干涉实验、拉比振荡实验、回波实验等，并且掌握如何用量子计算原理去处理实验数据。
一次，学生们在量子计算课上探讨如何使光子相位相同的话题。徐地虎告诉半月谈记者，大家不停地开脑洞，如加热、加电压、加磁场，这些想法都很好。于是，他与学生逐一探讨各种可能性，然后讲述当前的通用做法，同频激发。“对学生来讲，掌握量子理论难度很大，但我希望以一种相对通俗易懂又不失科学性的方式和学生沟通。”徐地虎说。
物理学知识在诸多领域都有重要应用，基于此，省锡中物理组教师队伍积极开设研创课，课程多以实验拓展、交叉学科应用为主，除了量子计算课外，还有光学实验创新课、计算凝聚态研究课、能源科学与动力工程等研创课程。
教学好帮手：金刚石量子计算教学机

在省锡中的量子计算课上，学生们非常喜欢动手的实验课，就要用到金刚石量子计算教学机。这是一台基于金刚石中NV色心和自旋磁共振为原理，通过控制激光、微波、磁场等物理量，对NV色心的自旋进行量子操控和读出，从而实现量子计算功能的教学仪器。
中学开量子课，学生能懂吗 第1张图片

金刚石量子计算教学机 郑雪婧 摄

该仪器能在室温大气条件下运行，无需低温真空环境，桌面型的设计让它能适应各种不同的教学环境，无论是课堂还是实验室，都能轻松进行量子力学与量子计算实验教学。不仅如此，金刚石量子计算教学机丰富的硬件模块支持学生动手搭建和调试，多功能的软件支持自定义脉冲序列编写。
省锡中的教学实践为量子教学设备研发提供了生动案例，丰富了研发团队持续开拓量子教学设备的设想。
无锡量子感知研究所副所长冯泽东介绍，基于现有金刚石量子计算设备，其团队将继续开拓离子阱、核磁共振等原理的量子计算教学设备，压缩多量子比特教学设备的成本，使量子计算教学设备可以运行更多的量子算法；引入量子精密测量类的教学设备，目前正在研发金刚石量子精密测量教学仪器，也在设计相应的教学课程，旨在帮助学生在课堂上生动理解量子精密测量更高灵敏度、更高分辨率的特点。
把创新人才培养前置到基础教育中

一名参加量子计算课程的学生说：“老师的讲解深入浅出，还开了书单，如《量子计算与量子信息原理》《上帝掷骰子吗——量子物理史话》等，课余可以自己读书研究，加深理解。这门课程让我们有机会在高中阶段就接触前沿科技，为未来的专业选择奠定了基础。”
高中教育作为衔接高等教育和义务教育的关键“腰部”，在为高校输送优才、引领义务教育发展方面发挥着重要作用。省锡中副校长王晓建表示，学校开设量子计算课，深受选课学生喜爱，激发了他们的学习兴趣，养成了良好的研究习惯，拓宽了学科视野，树立了远大目标。这也是在为国家培养拔尖创新人才贡献力量。
一批选修过量子计算课程的省锡中学子，在进入大学后选择物理作为自己的专业，并有从事物理科研的志向，现已在多所知名高校继续物理相关领域的学习。
上好量子计算课对高中物理教师来说是很大的挑战。徐地虎坦言：“选这个课的学生大都很优秀，问的问题也比较刁钻，比如会问‘电子是实物粒子，它有多大’之类的问题。这非常考验教师自身的理论和教学水平。当然，脑洞大不是坏事，我们老师也在不断探索学习。”
半月谈记者：郑雪婧责编：秦黛新 / 校对：张子晴


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